哈尔滨工程大学硕士学位论文根瞎各点坐标关系有：己ＣＯＳ屈＋１４ＣＯＳ成＝乞ＣＯＳｙ＋，１ｃｏｓ／３１（２－８）（２－９）乇ｓｉｎ压＋厶ｓｉｎ成＝１２ｓｉｎ７＋‘ｓｉｎ展将两式联立得：Ｐ一，；＋学＋日＋２ｔ／４ｃｏｓ（３３一卢。）－２ｌｊｌｃｏｓ（３３－ｆ１１）－２１１１４ｃｏｓ（３４一屈）＝：０（２：一１０）设计变量取ｘ＝（Ｘｌ，ｘ２，黾，ｘ４，ｘ５）丁＝（厶，１２，如，１４，），）ｒ确定目标函数为：ｍｉｎＥ：［Ｃｌ窆肛了万＋厄而］（２－１１）式中：ｍ一采样点个数，此处ｍ取１１；ｘＰ一理想瞬心横坐标值；％一理想瞬心纵坐标值；Ｃｌ，Ｃ２一加权系数；＿：一实际瞬心横坐标；儿：～实际瞬心纵坐标。膝关节运动不同角度时，理想瞬心坐标对应值１４３１７§１１表２．２所示。表２．２膝关节理想瞬心坐标值理想瞬心坐标值膝关节屈曲角度（。）ｘＰ／ｍｍｙｐ｜撇０００１０３１４７２０３ｌ８７３０２６１０７４０２１１１８５０１８１２４６０１６１２７７０１４１２９８０１２１３０９０１１１３１１００９１３２当四杆膝关节运动时，由ＢＣ杆带动ＣＤ杆和ＡＢ杆运动，此机构为双摇杆机构。由连杆机构运动学可知，与最短杆相对的构件为机架，ＩｉＩ］ＢＣ为机架，则ＡＤ为最短杆，且要求最短杆与最长杆长度之和小于或者等于其他两杆长度之和。所以，该机１８第２章下肢外骨骼助力机器人整体：方案设计构的运动学约束条件为：‘＜‘，厶＜乞，‘＜如厶＋ｌｌ≤乞＋，３厶＋如≤ｌｌ＋毛么＋１３≤‘＋／２，ｍｉｎ≤‘≤ｋ。取，ｍｉ。＝３０ｍｍ，ｋ。＝６０ｍｍ。使用ＭＡＴＬＡＢ最优化工具箱中的ｆｍｉｎｃｏｎ（）函数进行最优化设计，得到优化结果为‘＝５９．５ｍｍ，乞＝４６．１ｍｍ、，／３＝４５．５ｍｍ，／４＝３２．１ｍｍ，ｙ＝Ｏ．４６２５ｒａｄ。根据优化结果，对多轴四杆膝关节在Ｐｒｏ／Ｅ中建立三维简图，如图２．１４所示。连接处均销轴连接。大腿连杆销轴前连杆后连杆＼小腿连杆图２．１４四杆膝关节三维图在Ｐｒｏ／Ｅ机构分析模块中，设置伺服电机各项系数，ＡＤ杆与大腿杆固连，没有相对转动，运动速度设为１０。／ｓ，运动时间为１０秒，得到Ｃ、Ｂ两点的坐标变化曲线如图２．１５所示。１９哈尔滨工程大学硕士学位论文蠢＆§《｝≤ｉ｛鼙≥｝ｉ＃ｊ｛《ｄｎｌｉ｝摹峙年缮ｓ铺《☆６∞≥ｉ；ｉ凝弼《ｊ，ＥｉⅣ醚誊ｌ≮§！鬻霪黧鬃ｉ鞭錾ｌ｝鹈囊ｉ鞠鞠ｌ鬻璧鹫：鹫鬻添蠢瓣瓣ｌｌ×鳓５“粕．嚣．ｉ讳矗。０＾＃Ｉｉ，々‘姐酬ｔ目｝｛“ｌ姆ｊ榔■”ｆ《瓤ｌｆ赫笺ｉ主薹鬻藉篱鬻，ｉ《藕ｎ嚣瀑溺鬻Ｃ点横坐标变化轴日‘躏｛｛：瑟黧｝簸｝｛釉｛ｉ缝鳞?普‘抽＃Ｃ点纵坐标变化黼ｑ垮照ｌ畿骚瞪蜘鬻ｊ疆蟛鬻鬟鬣赣蔓二”ｑｔ砘．～辑驰辫秀鬻溺鬃鬻溱鬻孽誓孽ｉ习菇…ｉ蠢※ｉ蠹羞誓辩薅添鎏溪ｊ≤藿鲤、疆！渤錾蓊潦嚣ｉ章姆－一鹈釉ｉ糍瑟瑟ｌ酾’ｉ孬茹∽％灌。硼‘％髓．■㈣舭州斟黼‘啦：＃ｊ“ｔ一．『＾辨菇越皇妻９｛，｛拍始ｉ爨ｉ鳓蚋。’擀科”“｛黼；警幕《ｌ哆二罄孥ｒ慧’§冬登！磐Ｂ点横坐标变化Ｂ点纵坐标变化图２．１５膝关节各轴运动轨迹坐标变化该机构瞬心位置为ＣＤ和ＡＢ两直线交点，即Ｃ点的每一组坐标值和Ｄ点都有一条直线，同理Ｂ点的每一组坐标值也和Ａ点有一条直线，然后分将对应的直线求交点即为瞬心轨迹坐标的离散点，如图２．１６所示。鏊｜｜｜｝藕器鬻霪｛囊篆黉｛攀鬻嚣ｌ鬟，、；｜｜｜｜ｌ§黧瑟。鼙ｌ囊÷ｉ鬻濡瓣墓鬻罄ｔ鍪囊ｌ鬻糕糍霭辫ｉｉ鞴囊薹ｊ蕤ｌ｜｜１ｌ黪溺隧ｌ黍鬟鬻雾溪孽囊羹霪黎鎏熬鋈ｌ霾ｌ蒸ｌ蘸ｌｌ鬻ｌ蒸ｌ鬃翳鬻鬻鬻鬻ｌ蠢繁鬻ｉ鬻篓攀添鬻鬻ｌ鋈隧缀ｌ蒸《鬻黍鬓鬻繁｛篓纛蒺ｌ鎏溪震粪鬻熏溱ｌ》豢Ｉ｜｜｜ｉ鬻滋鬻滋鬻鬻《戮鬻蒸嚣ｉ黍ｌ鬻。’’∞㈣Ｖ誉激瓣目，《ｉ鬃ｉ鬻《ｌ鬻藿戮霪ｌ§ｌ燃囊蓥夔鬻鬟※ｌ蒺鬻溪豢黧瑟ｉ§《ｉ荔ｌｉ缀鞭ｉ骥麟一麓矗尝ｊ”。’糕。蘩囊ｌ群：讳。糍§搿薹毳…。…一糕“。蔫。，Ｉ嚣孽搿一ｉ糖甓Ｌ二—型刿薯ｌ”Ｉ｜：｛Ｉ。镌ｌ矗辫镥戮群臻黪嚣妻誓萼’嚣８戮一；ｊ—ｉ”垂霎潞嚣ｃ秘“置，叠?ｊ＿：｛Ｉ。１１“、ｉ１。馘ｉ羹，＊。４女㈣。ｉｏｉ曩飘靴ｇ、ｏ脚．≮一掣。一蹦辨§矗嚣，獬《斟ｔ。￥ｉ磊ｒ，．：。踟．｛哨“‘。５。。２＝融４壤“川｛、、一ｒ＿，、、≈《≈．，；，…。。一隧。。ｉ誉’荔鬈》４戮溪≯“孽‘《瑟■目×、㈡＃ｗ‘：ｏ，ｔ。≯ｊ％。■，、一＿ｌ糍ｉ。２０第２章下肢外骨骼助力机器人整体：孑案设计由图２．１６可以看出，该机构运动瞬心轨迹类似“Ｊ”形，能够模拟人体膝关节真实的运动，故符合仿生设计要求。２。４机器人驱动方案图外骨骼助力机器人单侧腿驱动方案选择示意图如图２。１７所示，在三维设计图案件ＰＲＯ／Ｅ中建立三维效果图如图２．１８所示。图２．１７驱动方案示意图图２．１８整体结构三维效果图２．５机器人整体控制方案２．５．１控制系统设计要求下肢外骨骼助力机器人的主要任务是穿戴在人体下肢外侧，辅助下肢有运动功能障碍的人在给定的关节角度变化曲线下与人体协调运动，模拟正常人体步态特征。要求尽量减小机器人系统与使用者之间相互干涉作用，并在可靠的安全范围内工作，这就对控制系统提出了较高的要求：（１）准确性和快速性要求。由于下肢外骨骼助力机器人是模拟正常人体的步态规律，这就要求控制系统能够快速准确的实现人体下肢各个自由度的位置变化，真正达到辅助人体下肢运动的目的。本系统中，上位机通过传感器和编码器反馈的信息，按照指定的关节角度变化曲线，给下位机位置指令，从而使各个关节协调运动，快速准确地合成步态动作。（２）稳定性和舒适性要求。下肢外骨骼助力机器人主要的使用人群是下肢有运动功能障碍的患者，因为安全性是需要首要考虑的因素，这就要求控制系统要有很高的稳定２１哈尔滨工程大学硕士学位论文性，不毙产生突变和失控的可能会对患者造成伤害的现象。另外，机器人要固定：在患者的下肢上，共同运动，对于舒适性也有一定的要求。（３）拟人化要求。下肢外骨骼助力机器人是在人机工程学的拟人化思想的基础上提出的，要求控制系统能够真实的帮助人体下肢完成类似正常人的步态运动，并且对于不同人群要有较好的适应性，这也要求机器人的结构设计在能够满足要求的前提下尽量简单有效。２．５．２控制系统总体方案下肢外骨骼助力机器人系统采用分散控制方式，即上位机和下位机的控制形式。分散控制又称分级控制或者集散控制，其具有功能和任务分散、易于维护能特点，并且伺服控制精度较高，实时控制性能较好。确定下肢外骨骼助力机器人控制系统总体结构原理图如图２．１９所示。图２．１９机器人控制系统原理图２２
下肢外骨骼助力机器人系统研究
